DE10245526B4

DE10245526B4 - Spectral broadband light source of high light output

Info

Publication number: DE10245526B4
Application number: DE10245526A
Authority: DE
Inventors: Manfred Keller
Original assignee: Litef GmbH
Current assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: EP1546785A1; US20060056772A1; DE50306218D1; EP1546785B1; DE10245526A1; WO2004034112A1

Abstract

Spektral breitbandige Lichtquelle hoher Lichtleistung für faseroptische Anwendungen,
gekennzeichnet durch
– ein auf einem Substrat, insbesondere einem Wafer oder Chip angeordnetes monolithisches Linear-Array von benachbarten oberflächenemittierenden LEDs (3);
– eine vor dem monolithischen LED-Linear-Array auf der Abstrahlseite in vorgegebenem Abstand angeordnetes Mikrooptik-Array (4) mit den LED-Elementen individuell zugeordneten optischen Funktionen derart, dass die Abstrahlung der einzelnen LEDs auf eine zur Optimierung der in eine optische Faser einkoppelbaren Lichtleistung auf eine vor der Einkoppelstelle der Faser angeordnete Optik-Einheit (5) gebündelt wird.Spectral broadband light source of high light output for fiber optic applications,
marked by
A monolithic linear array of adjacent surface-emitting LEDs (3) arranged on a substrate, in particular a wafer or chip;
- A front of the monolithic LED linear array on the emission side at a predetermined distance arranged micro-optics array (4) with the LED elements individually assigned optical functions such that the emission of the individual LEDs on one for the optimization of einkoppelbaren in an optical fiber Light power is focused on a front of the coupling point of the fiber optic unit (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle spektraler Breitbandigkeit mit hoher Lichtleistung für faseroptische Anwendungen, insbesondere für den Einsatz in faseroptischen Interferometern oder faseroptischen Gyroskopen (FOGs).The The invention relates to a light source spectral broadband with high light output for Fiber optic applications, especially for use in fiber optic Interferometers or fiber optic gyroscopes (FOGs).

Bisher werden in faseroptischen Sensoren, insbesondere in FOGs, Superlumineszenz-Dioden als Lichtquelle verwendet, um die beiden zentralen Anforderungen von spektraler Breitbandigkeit einerseits und ausreichender in die Faser einzukoppelnder Lichtleistung andererseits zu garantieren. Solche Lichtquellen sind Spezialbauteile, die aufgrund ihrer geringen Stückzahl vergleichsweise sehr teuer sind. Handelsübliche, billige Alternativen wären lichtemittierende Dioden (LEDs) oder Laserdioden (LDs). LEDs erfüllen das Leistungskriterium nicht, LDs andererseits weisen nicht die zu fordernden spektralen Eigenschaften auf.So far are in fiber optic sensors, especially in FOGs, super luminescence diodes as Light source used to meet the two key requirements of spectral broadband, on the one hand, and sufficient in the fiber, on the other on the other hand to guarantee the light power to be coupled in. Such light sources are special components that are comparatively due to their small number are very expensive. Commercial, cheap alternatives would be light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs). LEDs fulfill this Performance criterion not, LDs on the other hand, do not have to be challenged spectral properties.

In der Druckschrift US 5,617,492 A ist eine optische Anordnung zum Einkoppeln mehrerer Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser beschrieben, wobei jeder Lichtstrahl durch eine eigene Lichtquelle erzeugt wird. Die Lichtquellen sind in Form von Halbleiterlasern realisiert. Die Fokussierung der einzelnen Lichtstrahlen auf die Lichtleitfaser erfolgt mittels einer Linse. In den Druckschriften US 4,826,269 A sowie US 2002/0090172 A1 sind ähnliche Einrichtungen beschrieben.In the publication US 5,617,492 A An optical arrangement for coupling a plurality of light beams into an optical fiber is described, wherein each light beam is generated by a separate light source. The light sources are realized in the form of semiconductor lasers. The focusing of the individual light beams on the optical fiber by means of a lens. In the pamphlets US 4,826,269 A and US 2002/0090172 A1, similar devices are described.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine spektral breitbandige Lichtquelle hoher Lichtleistung für faseroptische Anwendungen zur Verfügung zu stellen, die sich in einem wirtschaftlichen automatischen Massenherstellungsprozess und damit in großen Stückzahlen preisgünstig herstellen lässt.Of the Invention is therefore the object of a spectrally broadband Light source of high light output for fiber optic applications to disposal put in an economic automatic mass production process and so in big numbers inexpensive can be produced.

Eine spektral breitbandige Lichtquelle mit vergleichsweise hoher Lichtleistung für faseroptische Anwendungen, insbesondere für faseroptische Sensoren, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein auf einem Substrat, insbesondere einem Wafer oder Chip angeordnetes monolithisches Linear-Array von benachbarten oberflächenemittierenden LEDs, eine vor dem monolithischen LED-Linear-Array auf der Abstrahlseite in vorgegebenem Abstand angeordnete Mikrooptik mit den LED-Elementen individuell zugeordneten optischen Funktionen derart, dass die Abstrahlung der einzelnen LEDs auf eine zur Optimierung der in eine optische Faser einkoppelbaren Lichtleistung auf eine vor der Einkoppeistelle der Faser angeordnete Optik-Einheit gebündelt wird.A Spectrally broadband light source with comparatively high light output for fiber optic applications, especially for Fiber-optic sensors, is characterized according to the invention by a on a substrate, in particular a wafer or chip arranged monolithic linear array of adjacent surface emitting LEDs, one in front of the monolithic LED linear array on the emission side in given Distance arranged micro-optics with the LED elements individually assigned optical functions such that the radiation of the individual LEDs on one to optimize in an optical fiber coupled light power on a front of the Einkoppeistelle the Fiber arranged optics unit is bundled.

Vorzugsweise ist die Optik-Einheit als eine an einem Lichteinstrahlende der Faser angeordnete Kugellinse ausgebildet.Preferably For example, the optical unit is one at a light irradiation end of the fiber arranged ball lens formed.

Außer für faseroptische Sensoren eignet sich die Erfindung auch vorteilhaft für bestimmte Anwendungen in der Messtechnik, insbesondere in der Telekommunikation, d. h. überall dort, wo eine spektrale Breitbandigkeit benötigt wird, z. B. bei der Vermessung/Einmessung von WDM- oder DWDM-Systemen.Except for fiber optic Sensors, the invention is also advantageous for certain Applications in metrology, especially in telecommunications, d. H. all over where a spectral broadband is needed, eg. B. in the measurement / measurement of WDM or DWDM systems.

Der Erfindungsgedanke besteht also in der geeigneten Kombination von mehreren grundsätzlich zur Verfügung stehenden Techniken und Elementen, nämlich

– leistungsstarken LEDs,
– präzisen Mikrooptiken zur Strahlbündelung der von den einzelnen LEDs abgegebenen Lichter, und
– einer geeigneten weiteren Optik zur optimierten Einkoppelung der gebündelten Lichtleistung in eine optische Faser.

The concept of the invention thus consists in the suitable combination of several fundamentally available techniques and elements, namely

- powerful LEDs,
Precise micro-optics for beam focusing the lights emitted by the individual LEDs, and
- A suitable further optics for optimized coupling of the bundled light power in an optical fiber.

Die eigentliche Lichtquelle ist ein Array, vorzugsweise ein Linsen-Array in Kombination mit leistungsstarken, oberflächenemittierenden LEDs. Mit diesen lässt sich das Kriterium der spektralen Breitbandigkeit erfüllen. Solche LEDs können auf dem gemeinsamen Wafer komplett getestet werden. Das Array besteht aus in geringem Abstand benachbarten LEDs auf dem Wafer, deren jeweilige Anzahl durch die nachfolgenden optischen Einheiten zur Strahlablenkung und Fokussierung sowie durch die erforderliche Lichtleistung bestimmt wird.The actual light source is an array, preferably a lens array in combination with high-performance, surface-emitting LEDs. With these let yourself fulfill the criterion of spectral broadband. Such LEDs can open completely tested on the common wafer. The array exists from closely spaced adjacent LEDs on the wafer, their respective ones Number by the following optical units for beam deflection and focusing and determined by the required light output becomes.

Auf dem monolithischen LED-Array wird eine spezielle Mikrooptik angebracht. Diese besteht aus einem Array einzelner optischer Funktionen, um die mehr oder weniger räumliche Abstrahlung der einzelnen LEDs auf dem Chip in eine jeweils parallele Abstrahlung zu bündeln. Durch diese Summierung der individuellen Lichtleistungen der einzelnen LEDs wird das Kriterium der erwünschten hohen Lichtleistung erfüllt. Durch die Verwendung neuester Verfahren aus den Bereichen der Mikrooptik erreicht man komplexe optische Funktionalität bei gleichzeitig sehr guter Anpassung an das LED-Array. Die Bündelung erfolgt dabei sehr präzise in Anpassung auf die einzelnen LEDs des Arrays und wird gegebenenfalls für jede dieser LEDs des Arrays hinsichtlich der Abstrahlrichtung optimiert. Diese Anforderungen lassen sich mit einer Mikrooptik sehr gut, nämlich monolithisch in einem einzigen Modul realisieren. Eine weitere Optikeinheit, z. B. eine auf der Faser stirnseitig angebrachte Kugellinse dient zur Strahlbündelung und zur Optimierung der Einkopplung in die Faser.On The monolithic LED array is fitted with a special micro-optic. This consists of an array of individual optical functions to the more or less spatial Radiating the individual LEDs on the chip into a parallel one Bundling radiation. By this summation of the individual light outputs of the individual LEDs will be the criterion of the desired high light output. By using the latest techniques in the field of micro-optics one reaches complex optical functionality with at the same time very good Adaptation to the LED array. The bundling takes place very much precise in adaptation to the individual LEDs of the array and is optionally for every of these LEDs of the array with respect to the direction of radiation optimized. These requirements can be very well with a micro-optics, namely monolithic realize in a single module. Another optical unit, z. B. serves a frontally mounted on the fiber ball lens for beam focusing and for optimizing the coupling into the fiber.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung der 1 (einzige Figur) in Einzelheiten erläutert.An embodiment of the invention will be described below with reference to the drawing of 1 (single figure) explained in detail.

Auf einem Substrat 1, insbesondere einem geeigneten Wafer oder Chip-Substrat ist entlang einer Bezuglinie oder Kante 7 ein Linear-Array von vorzugsweise gleich beabstandeten leistungsstarken und oberflächenemittierenden LEDs ausgebildet, die alle unmittelbar auf dem Wafer mit bekannten Testverfahren komplett getestet werden können. In Abstrahlrichtung der LEDs 3 befindet sich in einem geringen Abstand ein Linsen-Array 4 einer Mikrooptik, deren einzelne Elemente 4 jeweils auf eine der LEDs 3 ausgerichtet sind. Die Optikelemente des Linsen-Arrays 4 ihrerseits sind so gestaltet und ausgerichtet, dass die Lichtstrahlen der einzelnen LED-Elemente 3 auf eine Sammeloptik 5 fokussiert werden, die vorzugsweise eine vor oder auf einer optischen Faser 6 angeordnete Sammeloptik 5, beispielsweise eine Kugellinse ist.On a substrate 1 , in particular a suitable wafer or chip substrate, is along a datum line or edge 7 formed a linear array of preferably equally spaced high-performance and surface-emitting LEDs, all of which can be tested completely directly on the wafer with known test methods. In emission direction of the LEDs 3 is located at a small distance a lens array 4 a micro-optics, their individual elements 4 each on one of the LEDs 3 are aligned. The optical elements of the lens array 4 in turn are designed and aligned so that the light rays of the individual LED elements 3 on a collection optics 5 be focused, preferably one before or on an optical fiber 6 arranged collection optics 5 , For example, is a ball lens.

Mit der Erfindung werden folgende wesentliche Vorteile erreicht:

1. Wesentliche Bearbeitungs- und Testschritte können als Batch-Processing durchgeführt werden. Dies führt zu deutlich geringeren Herstellungskosten, insbesondere bei der Chip-Herstellung und im Vergleich zu den Herstellungskosten für eine einzelne Superlumineszenzdiode mit vergleichbaren Eigenschaften.
2. Die Herstellung des Chips mit dem LED-Linear-Array und dem Linsen-Array erfolgt mit bekannten Prozessen einer Massenfertigung.
3. Die Chips können vergleichsweise einfach an den jeweils aktuellen Stand der Technik angepasst werden, um ein Wachstumspotential dieser neuen Technik einfach zu nutzen, die im Prinzip von einer Mehrzahl von Chip-Herstellern heute beherrscht wird.

The following essential advantages are achieved with the invention:

1. Essential processing and test steps can be performed as batch processing. This leads to significantly lower production costs, in particular in the chip production and compared to the production costs for a single superluminescent diode with comparable properties.
2. The production of the chip with the LED linear array and the lens array is done with known processes of mass production.
3. The chips can be relatively easily adapted to the current state of the art in order to easily exploit a growth potential of this new technology, which is in principle dominated by a plurality of chip manufacturers today.

Claims

Spectral broadband light source of high light output for fiber optic applications, characterized by - a monolithic linear array of adjacent surface emitting LEDs arranged on a substrate, in particular a wafer or chip ( 3 ); A micro-optics array arranged in front of the monolithic LED linear array on the emission side at a predetermined distance ( 4 ) with the LED elements individually assigned optical functions such that the emission of the individual LEDs to a for optimizing the einkoppelbaren in an optical fiber light power to a front of the coupling point of the fiber optic unit ( 5 ) is bundled.

Spectral broadband light source according to claim 1, characterized in that the optical unit ( 5 ) as one at a light irradiation end of the fiber ( 6 ) arranged collection optics, in particular as a ball lens is formed.